1.2 光电检测系统的基本构成和工作原理
1.2.1 光电检测系统的基本构成
一个完整的检测系统，应包括信息的获取、变换、处理和显示四部分。下面通过一些例子来说明光电检测系统的主要构成。
1.红外防盗报警系统
这是一种利用行动中人体自身的红外辐射，经菲涅耳透镜产生调制光信号，再经光电变换及电路处理，从而获得信息、产生报警的装置。其原理框图如图1-1所示。人体红外辐射经红外菲涅耳透镜L会聚到光电探测器GD上，并随着人的运动，进一步转换为交变的电信号输出。电信号经放大、鉴别后，控制警灯、警铃等装置进行报警。同时也可以利用报警信号进行其他后处理的控制，如关门、摄像、开高压等。
图1-1 红外防盗装置原理框图
2.激光外径扫描仪
图1-2所示为激光外径扫描仪原理图。它以半导体激光器2为光源，光源发出的光经过旋转多面反射棱镜体进行调制，形成一维扫描的光束，该扫描光束经过f(θ)透镜3以改善平行度，扫描被测工件4；当光扫描至工件边缘时光通量发生变化，该变化的光通量被光电器件6转换为电信号，经过放大器和边缘检测而获得一个跳变的脉冲信号。当光继续扫描至工件4的另一个边缘时，光通量又出现从暗到亮的跳变，该光通量变化又被光电器件转换为跳变的电信号，同样经过边缘检测而获得另一跳变脉冲，由主振向两跳变脉冲间填充测量脉冲便可测出光扫描工件上下边缘的时间Δt，若光扫描工件的线速度v不变，则可测出被测工件尺寸D=vΔt。
图1-2 激光外径扫描仪原理图
1—旋转多面体；2—半导体激光器；3—f(θ)透镜；4—工件；5—物镜；6—光电器件
3.光弹性效应测力计
光弹性效应测力计（或称光电测力计）的基本结构如图1-3所示。白炽灯1所发出的光经聚光镜2、滤光片3、减光楔4、分束镜5、起偏振镜6、云母片7，投射到测力元件8上。入射的线偏振光被待测外力所致双折射分成两个等幅的正交分振动，其中透过检偏振镜9的光信号，由光电池10转换为电信号，在检流计13上读数。根据光弹性效应测力原理可知，照射到光电池上的光强I为
式中，I0为起偏振镜6输出的光强；λ为入射光波长；C为与材料性质有关的系数，CF为测力元件在外力F作用下产生的光程差。
图1-3 光弹性效应测力计基本结构示意图
1—白炽灯；2—聚光镜；3—滤光片；4,11—减光楔；5—分束镜；6—起偏振镜；7—云母片; 8—测力元件；9—检偏振镜；10,12—光电池；13—检流计
为了使I与F呈线性关系，光电测力计光路中放有若干云母片7，用以产生附加光程差Δ，此时，光电池接收的光强为
式中，K为放入云母削弱光强的系数。如果使
即
则余弦函数在π/2附近的变化率接近线性，即可得到预期的效果。
自分束镜5经减光楔11到光电池12的光路和自光电池12到检流计13的电路，构成补偿系统，其作用是抵消F=0时附加光程差Δ所产生的初始电流，使待测外力的读数从检流计标尺上的零值开始。
从上述几个简单的光电检测系统的例子中，可以大致归纳出这类系统的基本组成部分和原理框图，如图1-4所示，其基本组成部分可分为光源、照明光学系统、被测对象、光学变换、光信号匹配处理、光电转换、电信号的放大与处理、计算机、控制、存储和显示等部分。在该系统中，光是信息传递的媒介，它由光源产生。光源与照明光学系统一起获得测量所需的光载波。光载波与被测对象同时作用在光学系统上而将待测量载荷到光载波上，这称为光学变换。光学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为光信息。光信息经光电器件实现由光向电的信息转换，称为光电转换。然后被测信息就可用各种电信号处理方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算，直接显示待测量、存储或者控制相应的装置。
图1-4 光电检测系统原理框图
按照不同的需要，实际的光电检测系统可能简单些，也可能还要增加些环节；有些系统可能前后排列不同，也可能几个环节合在一起，难以分开。图1-4只表征基本原理，而实际系统的形成是多样的、复杂的。
为了对光电检测系统有个大致的认识，下面对框图中的主要部分进行简单说明。
（1）光源和照明光学系统
这是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中根据需要选择一定辐射功率、一定光谱范围、一定发光空间分布的光源，以该光源发出的光束作为载体携带被测信息，如图1-2和图1-3所示的系统。有时光源本身就是待测对象，如图1-1所示的系统中，人体辐射就是光源。一般光源可以采用白炽灯、气体放电灯、半导体发光器、激光器等器件。有时光电系统需要足够的光照度，必须应用大孔径角的照明系统和适当的光源。照度的大小与光源的发光强度和光源的尺寸及聚光系统的光学特性有关。照明系统根据结构不同又可分为透射照明系统、反射照明系统和折反照明系统。图1-2中的3和图1-3中的2都是照明透镜，又称为聚光镜。
（2）被测对象及光学变换
被检测对象即待测物理量，它们是千变万化的。光学变换所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统（如平面镜、光狭缝、光楔、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等）来实现将待测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）的。在图1-2和图1-3所示的例子中，检测对象的待测物理量是工件尺寸和待测外力，它们分别通过光扫描至工件边缘时光通量的变化和外力，使测力元件发生光弹性效应而产生光信号。
光通过被检测对象这一环节，能否使光束准确地携带上所要检测的信息，是决定所设计检测系统成败的关键（实际上是用待测信息对光载波进行调制的）。
（3）光信号的匹配处理
这一工作环节可以设置在被检测对象前面，也可以设置在光学变换后面，应按实际要求来决定。通常，在检测中，表征待测量的光信号可以是光强度的变化、光谱的变化、偏振性的变化、各种干涉和衍射条纹的变化，以及脉宽或脉冲数等。要使光源发出的光或产生的携带各种待测信号的光与光电探测器等环节间实现合理的、甚至最好的匹配，经常需要对光信号进行必要的处理。例如，当光信号过强时，需要进行中性减光处理；当入射信号光束不均匀时，则需要进行均匀化处理；当进行交流检测时，需要对信号光束进行调制处理，等等。总之，光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。光信号的处理主要包括光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、分束等。使用的光学器件可以是透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅等。
以上讨论的三个环节往往紧密结合在一起，目的是把待测信息合理地转换为适于后续处理的光信息。
（4）光电转换
该环节是实现光电检测的核心部分，其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率等），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。光电检测不同于其他光学检测的本质就在于此。它将决定整个检测系统的灵敏度、精度、动态响应等，完成这一转换工作主要依靠各种类型的光电探测器，如光敏电阻、半导体光电管、光电池、真空管、光电倍增管、电荷耦合器件及光位置敏感器件等。各类探测器的发展和新型探测器的出现，都为光电检测技术的发展提供了有力的基础。
（5）电信号的放大与处理
本部分主要由各种电子线路所组成。光电检测系统处理电路的主要任务是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。其余方面与其他检测技术中的测量电路无太大区别。应当注意的是，虽然电路处理方法多种多样，但必须注意整个系统的一致性，也就是说，电路处理与光信号获取、光信号处理以及光电转换均应统一考虑和安排。
（6）存储、显示与控制系统
许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。
在需要利用检测量进行反馈后实施控制的系统中，就要附加控制部分。如果控制关系比较复杂，则可采用微机系统给予分析、计算或判断等处理后，再由控制部分进行控制，这样的系统又称为智能化的光电检测系统。